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案例頻道1引言
近年來，在新建的110KV及以下變電站中，通常實現無人值守或集控，220KV及以上變電站實現綜合自動化；老的變電站也大多進行了改造。上述技術升級和改造主要是針對變電站電氣二次部分進行的，當變電站一次設備出現故障或異常時會直接影響電能的傳輸、變換與分配等問題。目前，對電氣設備的故障診斷主要依靠計劃檢修和平時巡檢，如果設備突然出現異常或存在潛伏性故障，事實上大多情況我們都不能及時處理，使電力系統供電可靠性降低。利用“在線監測技術”能夠及時發現設備隱患，為迅速排除故障，節省檢修時間，提高電力系統安全、穩定運行。因此，大力發展“在線監測技術”是電力系統的必然。
2 在線監測系統組成及其監測技術簡介
圖 1 在線監測系統框圖
2.1 在線監測系統組成
此變電站在線監測系統采用分層分布嵌入式總線結構，按照對象來設計。系統框圖如圖1所示。圖中還標明了綜合自動化系統保護、測控單元功能。
單元層（監測設備附近）：有斷路器、變壓器、避雷器、容性設備、環境等在線監測單元，還有變壓器、線路、母線等保護、測控單元。各單元在就地可對各高壓設備的特征參量進行實時采集處理，并將信息送往主控室。
變電站層（主控室）：包括工程師站、五防終端、遠動主站、在線監測主站、監控系統、GPS裝置等，各監測單元的在線監測信息通過總線實時送往監測主站（主控室），監測主站對收到的信息進行處理，再將分析診斷結果送到生計、檢修部門或報警提醒各部門人員注意。
2.2 在線監測單元功能
1）、變壓器在線監測單元功能：主要完成變壓器油中氣體在線監測、局部放電在線監測、鐵心絕緣狀況在線監測、變壓器套管絕緣狀況在線監測。油中氣體氣相色譜分析和局部放電試驗是目前對油浸絕緣狀態分析最靈敏的方法；局部放電是變壓器運行中出現絕緣劣化的主要因數之一，通過局部放電試驗可以找到絕緣放電發生的部位和強弱；而油中氣體色譜分析可知道變壓器絕緣放電能量的大小，放電點的溫度高低，是固體絕緣破壞還是液體絕緣破壞等信息。變壓器鐵心絕緣狀況通過在線監測變壓器鐵心接地電流實現。套管絕緣狀況通過在線監測介質損耗tgδ、泄漏電流實現。
2）、斷路器在線監測單元功能：包括在線監測斷路器機械狀態和斷路器電壽命。在線監測斷路器機械狀態是通過監測斷路器動觸頭速度和行程、分合閘線圈回路電流、儲能電機電流來實現的。在線監測斷路器電壽命是通過監測介質損耗tgδ、套管外泄漏電流實現的。
3）、隔離開關在線監測單元功能：戶外隔離開關經常出現的問題是瓷瓶斷裂，操作失靈、導電回路過熱和銹蝕。其中導電回路過熱是主要問題，因此，本監測單元通過紅外在線監測對某些隔離開關的接觸部位進行在線過熱監測。
4）、絕緣子在線監測單元功能：絕緣子在發生絕緣故障前，總會表現出一定的局部放電特征，這些放電包括污穢放電（可能擊穿）、電暈放電（不會擊穿）、內部缺陷放電（可能擊穿）。本單元采用超聲波在線監測和絕緣電阻在線監測實現對部分絕緣子的絕緣故障監測。
5）、避雷器在線監測單元功能：監測避雷器全電流、阻性電流及其比例來判斷其是否有故障。
6）、容性設備在線監測單元功能：通過監測容性設備介質損耗tgδ、電容量C、泄漏電流實現對容性設備的故障在線監測。
7）、環境在線監測單元功能：屬于公共信息監測，監測信息包括環境溫度、濕度、大氣壓等參數。
各單元都是由雙CPU組成的完整微機系統，完成信號采集處理、A/D轉換、I/O、運算、故障判斷報警、對外通信、人機聯系等功能。
3 在線監測系統結構特點
單元層采用RS―485與CAN現場總線構成的雙總線通訊方式，各單元采用雙CPU結構嵌入系統雙總線（RS―485和CAN總線）。變電站層采用雙以太網，單元層雙總線與變電站層雙以太網通過通訊管理機（網關）實現信息交換。在線監測主站通過以太網可以向下遠程管理各單元總線節點，實現數據通信；向上可以將診斷結果和相關信息報告生計或檢修部門。通訊流程框圖如圖1所示
3.1 單元層采用雙CPU結構
單元層雙CPU結構框圖，如圖2所示
圖 2 雙CPU結構框圖
1)CPU1模塊:采用IT公司的TMS320C2407A型 DSP,它具有16路ADC,41個I/O接口, 片內有SARAM、DARAM、FLASH，有SPI、SCI、CAN三種通信接口。
CPU1模塊功能包括：數據采集和處理、計算、故障判斷和事件記錄、故障信息主動上傳；同時響應CPU2的通信請求，把各種計算結果和信息通過雙口RAM報告給CPU2模塊。
2）CPU2模塊：采用單片機80C196。
CPU2模塊功能包括：實現人機交互、對整個系統控制和管理，故障錄波、故障報警；同時需要數據時，向CPU1發出請求，獲取數據和信息。
3）CPU1 和CPU2的通信方式：采用簡單高效雙口RAM實現兩CPU間的通信。
4）CPU1 和CPU2軟件設計: CPU1 和CPU2兩模塊各負其責，采用搶占式任務調度機制實現CPU1 和CPU2各自子系統的任務調用，同時通過雙口RAM在系統的管理下協調工作。搶占式任務調度機制是根據優先級來執行任務，高優先級任務優先執行，也具有中斷低優先級任務的權利。本程序設計中，CPU1子系統里機械中斷采集優先級最高，絕緣計算優先級最低；CPU2子系統里雙口RAM中斷優先級最高，故障錄波優先級最低。
3.2 單元層采用雙總線結構
單元層雙總線是由RS―485和CAN現場總線構成。
1）RS―485串行總線：RS―485串行總線只定義了物理層，使用總線型拓撲結構，沒有介質訪問控制協議，不能解決多機主動上傳造成的介質訪問沖突問題，優點是具有傳送大批量數據的能力。因此，這里采用RS―485總線主要是提高通信中的信息傳輸能力。
2）CAN(Controller Area Network)現場總線：屬于多主總線，采用非破壞性的基于優先權的總線仲裁，使得當幾個節點同時訪問總線時，優先級低的節點停發，優先級高的節點不受影響。它具有硬件防止介質訪問沖突功能及載波偵聽能力，借助接收濾波可實現多地址的幀傳送。但CAN每一幀最多傳8個有效字節，傳輸較長報文時，必須對該報文進行分幀，多次發送，實時性沒有充分體現。CAN適用于低成本、中小網絡規模、實時性較強且數據量不大的控制場合。
因此，根據系統從一次設備獲取的信息類型，可選擇接入RS―485總線或CAN總線。例如：突發數據(如故障報警數據)可選用 CAN總線，避免總線沖突；大批量數據(如故障錄波) )可選用RS―485總線，提高了通信的可靠性。
3.3 單元層CAN現場總線節點
1、CAN節點的硬件設計
CAN節點的硬件電路圖，如圖3所示。該電路的三個核心器件是單片機ADμC812數據采集系統、CAN總線控制器SJAl000和CAN總線驅動器PCA82C250。
SJAl000微控制器片外擴展芯片，決定CAN控制器各寄存器的地址。SJAl000通過CAN總線驅動器PCA82C250連接在物理總線上。PCA82C250器件具有對總線發送和接受信息能力。
圖 3 CAN節點硬件電路原理圖
2、CAN節點的軟件設計
軟件設計包括A／D轉換(ADC)、CAN控制器初始化、CAN總線數據的發送和接收等。
CAN控制器初始化決定了CAN網絡系統各節點共同遵守的協議。對SJAl000的初始化是向其片內的各個寄存器寫入控制字的過程，其寄存器包括九個。其中：BTR0、BTRl寄存器內容決定系統通信的波特率和CAN協議物理層中的同步跳轉寬度；OCR寄存器內容用于決定CAN控制器的輸出方式；根據實際的網絡系統和報文標志符決定寫入ACR、AMR寄存器的內容；根據狀態寄存器 STATUS的第4位的狀態，可判斷幀數據是否完全發送完畢；根據狀態寄存器STATUS的第1位的狀態，可知接收緩沖區(RXFIFO)中的可用信息。
ADC、CAN控制器初始化完成后，CAN控制器即可編寫收、發程序，完成數據收發任務。CAN總線發送和接收數據流程，如圖4所示。
圖 4 CAN總線發送和接收數據流程
4 總結
隨著變電站中在線監測及其故障診斷技術的應用，電力系統由計劃檢修過渡為狀態檢修將成為可能。由于在線監測信息量大，技術含量高，因此本系統設計采用分層分布嵌入式雙總線冗余配置通訊方式，兩總線的優勢互補，避免了總線沖突，在數據傳輸性能上有很大的提高。單元層采用雙CPU結構，滿足了在線監測技術的要求，系統功能多，任務分工明確，確保了系統通信的實時性和可靠性。在軟件使用上采用了搶占式任務調度機制，使系統任務優先級明確，提高了系統的實時性。因此這項技術的開展必將進一步深化變電站綜合自動化的內涵，提高電力系統運行可靠性和經濟性。
參考文獻：
[1] 張惠剛.變電站綜合自動化原理 [M]．― 北京：中國電力出版社，2004.
[2] 嚴璋. 電氣絕緣在線監測技術 [M].― 北京：中國電力出版社，1995.
作者簡介： 石開明（1970-），男，內蒙古呼和浩特市，講師，研究生，從事電力系統及其自動化的教學與研究
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號